Wärme im Frühbeet - Gewächshaus
Immer wieder werden wir zu diesem Thema gefragt, deshalb
haben wir an dieser Stelle wichtiges und interessantes zum Thema
zusammengefasst:
Dieser Bereich wird demnächst noch weiter ausgebaut und erläutert und soll
vorerst lediglich einige Fakten aufzeigen.
Einige Anmerkungen zu Beginn
- Besteht zwischen zwei Medien ein Temperaturunterschied, so wird vom die Wärme
vom wärmeren zum kälteren Medium transportiert.
- Die Energiemenge hängt nicht von der Starttemperatur, sondern von der
Temperaturdifferenz und der Masse von beiden Medium ab.
- Wärmestrahlen sind elektromagnetische Wellen im Infrarotbereich mit der Wellenlänge
von 700nm (namometer) bis ca. 1mm (milimeter)
- Wir können von Frequenzbereich oder Wellenlänge sprechen, die Wellenlänge ist
im wesentlichen der Kehrwert der Frequenz
- Die größte für uns relevante Wärmequelle ist unsere Sonne
- Die Sonne liefert ein breites Spektrum an elektromagnetischen Wellen, für uns
ungefährliche, jedoch aber auch sehr gefährliche Strahlung
- die "gefährlichen" Strahlung wird durch die
Erdatmosphäre absorbiert; damit kommen fast nur noch "ungefährliche"
bei uns Wellen an
- Auf der Erde treffen als Strahlung im Wesentlichen nur das sichtbare Licht, die
UV-Strahlung und Strahlung im Infrarotbereich auf
- Die durchschnittliche Strahlungsleistung auf der Erde ist die (Solarkonstante)
mit einem Wert von ca. 1,37kW/m². Diese Wert ist nahezu konstant, wenn die
Strahlung senkrecht auf die Erde trifft.
- Die Wärmeübertragung von der Sonne zu uns geschieht über die Strahlung, die
das Weltall (Vakuum) durchdringen kann
Einige notwendige, physikalischen Eigenschaften
- Es gibt drei Arten der Wärmeübertragung
- Wärmeleitung (Verbreitung von Wärmeenergie
über einen festen Stoff)
Um Wärme weiter zu leiten braucht man einen geeigneten (festen) Trägerstoff.
Beispiel hierfür ist ein Metall, welches die Wärme gut leitet, ohne dass es
dabei selbst mitwandert.
Gute Wärmeleiter sind beispielsweise Metalle
Schlechte Wärmeleiter hingegen
Luft bzw. Gase
- Wärmestrahlung (Verbreitung von Wärmeenergie ohne Material)
Jeder Körper, der über
0 Kelvin (absoluter
Nullpunkt mit -273,15°C) liegt, gibt Wärme in
Form von Wärmestrahlung ab. Da es sich bei der Wärmestrahlung um einen
Energietransport in Form von elektromagnetischen Wellen handelt, ist hierfür
kein Trägermaterial notwendig.
Die Wärmestrahlung funktioniert auch im Vakuum, wie beispielsweise die Sonnenstrahlung durch
den luftleerer Weltraum und
unsere Atmosphäre. Die Sonnenstrahlen treffen auf der Erde und wärmt diese auf.
Ein,
bezogen auf das Umfeld kälterer Körper, nimmt Energie von der wärmeren
Umgebung auf, bis der Körper und das Umfeld die gleiche Temperatur
besitzen.
- Die Wärmestrahlung kann ihre Energie angeben an
- Feststoffe (Metallstab)
- Flüssigkeiten (Wasser)
- Gase (Luft)
- Wärmestrahlung kann auch reflektiert werden:
Beispiel: Thermoskanne, in welcher der heiße Kaffee o.ä. über längere Zeit warm
gehalten werden kann, weil die verspiegelte Glasschicht die Wärmestrahlung
reflektiert und sie so länger im Gefäß bleibt.
- Wärmekonvektion oder Wärmemitführung (Verbreitung von
Wärmeenergie über Transportmedien, welche die Wärmeenergie aktiv an einen
anderen Ort transportieren)
Auch hierzu benötigt man einen geeigneten
Trägerstoff, der sowohl die Energie, als auch den Stoff transportiert.
Geeignete Stoffe hierfür sind z.B. Luft und Wasser oder andere
strömungsfähige Medien
Ein
Beispiel hierzu ist die erwärmte Luft, welche an einem Ofen oder Radiator
austritt. Ein anderes Beispiel wäre eine Zentralheizung oder ein Fön.
Ein
bekannter
Versuch hierzu:
En Bunsenbrenner erwärmt in einer Glasröhre befindliche Wasser. Das erwärmte Wasser steigt auf und nimmt die Wärmeenergie mit. Während das Wasser nach
oben steigt, gibt es Wärme an die Umgebung ab.
- Warme Luft steigt nach oben
- Wärmereflexion:
Helle Flächen reflektieren die Wärme gut, dunkle hingegen schlecht
Dunkle Fläche absorbieren einen Großteil der Wärmeenergie und heizen diese
auf.
- Verdunstungskälte
Im allgemeinen beinhaltet
der Erdboden Wasser und hat damit eine gewisse Erdfeuchte. Die Feuchtigkeit
(Wassermoleküle) lösen sich von dem Erdreich und gehen in die Umgebung über,
solange die umgebende Luft sich in einem ungesättigten Zustand befindet. Bei
dem Vorgang der Verdunstung von Feuchtigkeit wir dem Boden Energie entzogen
und dieser, sowie die unmittelbar angrenzende Luftschicht kühlen sich ab.
Das vorgestellte Prinzip kann jeder selbst nachvollziehen:
Verlässt man im Sommer
bei Sonnenschein ein Schwimmbecken des Freibads, beginnt man sofort an zu frieren - weil dieser Effekt der
Verdunstungskälte sofort einsetzt. Die Wassermoleküle lösen sich von der Haut,
treten in die umgebende Luft über und entziehen dem Körper somit Wärme, man
beginnt zu frieren.
Anderes Beispiel:
Es ist heiß (Sommer oder Sauna, Fieber oder sonstige Wärme) - der Körper beginnt
zu schwitzen -> Schweiß beinhaltet Feuchtigkeit -> durch die Verdunstungskälte kühlt
der Körper ab.
Und ein weiteres Beispiel zur Verdeutlichung:
Im Hochsommer kann man Getränke kühlen, indem man einen feuchten Lappen auf/um
die Flasche legt (Idealfall Flasche direkt in einen Bach oder See legen, da ist
das meiste Wasser direkt drum herum und somit wird darüber die meiste Hitze aus
der Wasserflasche in Form von Energie entweichen und das Getränk schnell
abgekühlt) .
Diese Prinzip wird auch in der Klimatechnik bei der Verdunstungskühlung oder
adiabate Kühlung eingesetzt.
- Relative Luftfeuchtigkeit
Luft hat die Eigenschaft, so lange Wasser aufzunehmen, bis sie in einen gesättigten
Zustand (100% Luftfeuchtigkeit) erreicht.
Kalte Luft kann weniger Wasser aufnehmen als warme Luft. In einem
Frühbeet / Gewächshaus ist es meist wärmer als draußen. Die Luftfeuchtigkeit im
Innern des Objekts steigt an und das Wasser kondensiert an den kälteren Elementen wie
Verglasung und Rahmenkonstruktion.
Kaltes Wasser hat einen geringeren Energiezustand als warmes Wasser,
Wasserdampf hingegen hat den höchsten Energiezustand.
Gerät der Wasserdampf (relative
Luftfeuchtigkeit ist 100%) an ein Element mit niedrigerem Energiezustand, dann
gibt dieser seine Energie an das kältere Medium ab und das Wasser kondensiert -> es
bilden sich Wassertropfen.
Das Beispiel kann jeder selbst an einem kleinen Versuch nachvollziehen:
Man stellt eine gekühlte Getränkeflasche im Sommer an einen sonnigen Platz.
Die warme Luft mit der hohen (absoluten) Luftfeuchtigkeit kommt mit der
kalten Oberfläche der Flasche in Berührung und sofort schlägt sich die
Feuchtigkeit aus der umgebenden Lust als Wassertröpfchen nieder.
Mit diesen Voraussetzungen zu dem Thema: Wärme in
Gewächshaus/Frühbeet
Wie kommt die Wärme in das Gewächshaus bzw. Frühbeet
- Die Wärme wird durch die direkte Sonnenstrahlung in das Gewächshaus eingebracht.
Die Strahlung besteht aus sichtbarem Licht, aus UV- und Infrarot- Strahlung.
Im Gegensatz zu normalen Fensterglas ist die Alltop - Verglasung UV
durchlässig. Bei der Durchdringung der Strahlung entstehen je nach
Einfallswinkel und Verschmutzunggrad der Verglasung Verluste durch Reflexion und Lichtbrechung
Weitere Informationen: siehe „Freilandanlagen für Schildkröten“ Verlag Chimaira
S.127 Thema Verglasung
- Die Energie, welches in ein Gewächshaus eingebracht
wird, ist in erster Linie von der Witterung und der Jahreszeit abhängig
(siehe Solarkonstante).
- Eine weitere Möglichkeit, vor allen in den
Übergangszeiten, in das System Wärme einzubringen, ist die Inbetriebnahme
einer Zusatzheizung, wie beispielsweise einem oder mehrere Wärmestrahler
oder anderen aktiven Heizelementen.
- Die Wärmestrahlung gibt ihre Energie an feste, flüssige oder gasförmige Medien
ab. Dabei erwärmt sich das Innere des Gewächshauses
feste Medien sind beispielsweise die Innenseite der Verglasung, die
Rahmenkonstruktion, jeder Grashalm oder das Erdreich
flüssige Medien sind beispielsweise das Wasser des
Badeschale oder
kleine Pfützen
gasförmige Medien ist die Luft
- Die in dem Gewächshaus "gefangene" Wärmeenergie kann nicht durch
Wärmestrahlung wieder nach außen abgegeben werden,
da diese Wärmeenergie (Strahlung) im Gegensatz zu der (gerichteten)
Sonnenstrahlung diffus ist und die Verglasung den Austritt verhindert.
- Die Verteilung der Wärme geschieht mit Hilfe der
Wärmekonvektion
- Wärmeverluste treten z.B. durch Wärmeleitung von der Luft zum Aluminiumrahmen
bzw. Verglasung auf
- Die durch den Erdboden aufgenommene Energie wird über
zwei Wege abgegeben und kühlt damit ab
- durch Wärmeleitung an die unteren Schichten des Erdreichs, da diese
kälter sind als die Oberfläche des Bodens
- durch die Verdunstung und damit Abgabe der Feuchtigkeit an die Luft
(siehe Verdunstungskälte)
- Bei Wasserpfützen oder beim Badeschale treten
dieselben Effekte auf wie bei dem Erdreich
- Die erwärmte Luft steigt nach oben
- Bei Temperaturabsenkung in der Nacht wird das
Erdreich, falls dieses Wärme ist als die umgebende Luft, Wärmestrahlung an
die Umgebung abgeben.
- Solange eine Restfeuchte in dem Erdreich vorhanden
ist, wird diese durch Verdunstung das Erdreich weiter abkühlen.
Bei der Betrachtung der Energiebilanz in einem geschlossenen Raum
sind die "Gewinne" und die "Verluste" zu betrachten
( Hinweis: Die folgende Betrachtung gilt für einen sonnigen Sommertag. Für den
Winter stimmt zwar die Vorgehensweise, es muss jedoch mit den entsprechenden
Werten gerechnet werden.)
- Der Energiegewinn entsteht durch die Wärmestrahlung, welche
durch die Sonnenstrahlung in das Gewächshaus eindringt
Unter Verwendung der Solarkonstante von ca. 1,37kW/m² und den oben beschriebenen
Verlusten kann den tatsächlich eingebrachte Energie berechnen
In einem Beispiel kann man zur Vereinfachung mit einer
eingebrachten Leistung von 500W/m² rechnen …
Das würde ca. 8 PAR Strahler á 60W pro m² entsprechen
In einem Gewächshaus von 5 * 2 m würde das eine Anzahl von
83 Wärmestrahlern
mit einer Leistung von jeweils 60W ergeben.
- Die Verluste in dem Gewächshaus entstehen im wesentlichen durch Wärmeleitung
von der Luft zu der Verglasung und der Rahmenkonstruktion. sofern es im
Gewächshaus kälter ist als im Freien. (Falls die Fenster einen Gewächshauses
bzw. der Deckel eines Frühbeets geöffnet ist, wird der größte Teil der
Wärmeenergie über diesen Weg entweichen)
- Verluste, die durch Wärmeleitung von der
Erdoberfläche in tiefere Schichten entstehen, kann man bei einem Gewächshaus nicht
unbedingt von Verlusten sprechen, da diese ja gewünscht sind
- Die Wärmeverluste bei der Verglasung sind durch den k-Wert (heute u-Wert), der
Fläche und dem Temperaturunterschied zu bestimmen
Beispiel: Plexiglas Alltop hat einen k=2,5 W/m²K
Trifft man die folgende Annahme: Die Fläche sei
A=1m², die Temperaturdifferenz sei ΔT=20°. Mit diesen Werten kommt man zu folgendem
Wärmeverlust Q über die Verglasung:
Q = 2,5W/m²K * 1m² * 20° = 25W
- Die Berechnung der Wärmeverluste durch die Rahmenkonstruktion zu berechnen,
würde hier den Rahmen sprengen,
er ist jedoch bei Aluminium absolut nicht vernachlässigbar!
- Das Ergebnis der Betrachtung zeigt, dass die durch das Sonnenlicht
eingebrachte Energie um ein Vielfaches höher ist, als die entstehenden Verluste
Aus den bisherigen Betrachtungen heraus kann man folgende
Schlüsse ziehen
- Der wärmste Punkt wird immer im oberen Bereich des
Gewächshauses oder eines Frühbeetes sein
- Die festen Medien, wie beispielsweise Rahmenelemente,
Verglasung oder das Erdreich erwärmen sich durch die Absorbierung der
Wärmestrahlung und heizen sich damit auf, geben die Energie bei einer
Temperaturdifferenz wieder an die Umgebung ab.
- Gleichzeit gibt das Erdreich durch Verdunstung (oder
Wärmestrahlung bei der Absenkung der Temperatur) die Energie an die
umliegende Luftschichten ab, die wiederum nach oben steigen, und
dadurch das Erdreich auskühlen.
- Die durch das Erdreich erwärmte Luft steigt sofort
nach oben und die Abkühlung des Bodens wird fortgeführt.
Gesondert sollte noch die Aufwärmung und die Abkühlung des
Gewächshauses oder Frühbeets betrachtet werden
- Durch die Nachtabkühlung ist die Wärmeabgabe
des Gewächshauses wesentlich höher als die Energieaufnahme,
da die Sonnenstrahlen und damit auch die Wärmestrahlen fehlen.
Das bedeutet, dass die Temperaturdifferenz von innen nach außen bzw. die
Wärmeenergie im Gewächshaus durch die Wärmeleitung durch Verglasung und
Rahmenelemente abnimmt. Dabei sind die Wärmeverluste durch die Verglasung
und die Rahmenkonstruktion (und ggf. Ritzen und Fugen) zu betrachten.
Da sich die Luft wesentlich schneller abkühlt als das Erdreich, gibt der
Boden durch Wärmestrahlung (und auch Verdunstung) Energie ab und kühlt
dadurch aus.
- Am Morgen nach dem Einsetzen der Sonnenstrahlung wird
dem Gewächshaus wieder mehr Energie zugeführt,. Es beginnt der oben
beschriebene Kreislauf. An dem höchsten Punkt des Gebäudes werden die
höchsten Temperaturen vorherrschen, der Boden wird wieder der kälteste Punkt
sein.
Noch ein wichtiger Punkt zu der Temperaturmessung:
- Mit einem Infrarotmessgerät kann keine Lufttemperatur
gemessen werden, es ist nur in der Lage, die Oberflächentemperatur eines
Gegenstands zu messen. Geeignete Messgeräte zur Erfassung der Lufttemperatur
sind
Bimetall- oder Flüssigkeitsmessgeräte. Auch elektronische Messgeräte mit
einem Temperatursensor sind geeignet.
Frühbeet oder Gewächshaus ?
In einem Gewächshaus ist ein großes Luftvolumen vorhanden
und dadurch, dass ein Wärmeaustausch von innen nach außen nur schwer möglich ist, bleibt
die darin enthaltene Lufttemperatur lange konstant. Bis sich ein großes
Luftvolumen (wie im Gewächshaus vorhanden) erwärmt dauert es länger als bis sich
ein kleineres Luftvolumen (wie im Frühbeet) erwärmt hat. Bei der gesamten
Betrachtung kommt der Höhe des Raumes eine besondere Bedeutung zu. Je höher der
Raum ist, umso später wird die warme Luft den Boden erreichen.
Der Nachteil des Einen wird zum Vorteil des Anderen:
Bis das Gewächshaus in Bodennähe eine hohe Lufttemperatur hat, dauert es relativ
lange (Luftvolumen und -erwärmung siehe oben), dafür hält es die höheren
Lufttemperaturen nachts länger (es dauert länger, bis die Luft darin wieder
abgekühlt ist). Ein Frühbeet hingegen hat in Bodennähe relativ schnell hohe
Lufttemperaturen (ebenfalls Luftvolumen und -erwärmung siehe oben
beschrieben), dafür kühlt es in der Nacht aber auch schneller wieder aus.
Ein Effekt den man bei der Haltung von Schildkröten genau so haben will -
morgens schnell warm, dass sich die Tiere aufwärmen und auf ihre
Vorzugstemperatur kommen können und Nachts die Abkühlphase.
Das kann mittels eines gut isolierten und funktionierenden Frühbeets besser
realisiert werden, als mit einem Gewächshaus.
Ein Gewächshaus hat zweifelsfrei Vorteile für den Pfleger
wie:
- Bequemes hantieren und während eines Regens geschütztes Arbeiten im Trockenen
möglich
- Überwinterungsmöglichkeit für große Pflanzen
Sofern man jedoch etwas sucht um den Tieren ein Optimum zu
bieten, ist ein Frühbeet besser geeignet - es sollte eigentlich um die darin
lebenden Tiere gehen und nicht um die Bequemlichkeit und den Komfort für den
Halter.
Als ganz wichtiger Hinweis an dieser Stelle gilt:
Auch ein Frühbeet sollte groß sein und nicht bei 1qm enden, denn was bringen
alle Vorteile für das Tier, wenn es keine Lauffläche hat um nach erreichen der
Vorzugstemperatur seinem Bewegungsdrang nachkommen zu können?
Die Tiere sitzen einen nicht ganz unerheblichen Zeitraum im Jahr im
Frühbeet/Gewächshaus und in dieser Zeit sollten sie auch mehr Lauffläche haben,
als wie wenn sie in einem Terrarium gehalten werden würden.
Freilandhaltung heißt nicht nur, dass sich die Tiere nicht im Haus aufhalten,
sondern dass sie ein möglichst natürliches Leben haben - ein Leben mit genügend
großem Auslauf.